Rumore: cinque Nikon a confronto

Test
Rumore: cinque
Nikon a confronto
Il Centro Studi Progresso Fotografico ha messo a punto nuovi avanzati test che
permettono un esame approfondito del rumore prodotto dalle fotocamere e di
confrontare i valori misurati. In prova le Nikon D3s, D300s, D90, D5000 e D50.
Affrontiamo in questo articolo uno dei
problemi fondamentali nellʼevoluzione
tecnologica della fotografia: il rumore.
Se ai tempi della pellicola si parlava
unicamente di grana, con lʼavvento dei
sensori digitali bisogna fare i conti con
molteplici forme di rumore, che contribuiscono a vari livelli al deterioramento
dellʼimmagine.
Possono dipendere dalle fluttuazioni
nel flusso dei fotoni che raggiungono il
sensore, nella loro conversione in corrente elettrica e quindi in valori digitali;
anche lʼaumento della temperatura può
22
aumentare il rumore, anche se è una problematica che riguarda le riprese astronomiche.
Nel box a parte approfondiamo tutti questi aspetti.
Come misurare il rumore
Misurare il rumore non è di per sé un
compito difficile.
Lo possiamo fare anche in Photoshop
aprendo unʼimmagine scattata ad un
soggetto di colore grigio uniforme, controllando in modalità istogramma la larghezza della curva a campana che appare
(cioè la deviazione standard).
Sarà ben evidente lʼaumento del rumore
(ovvero della larghezza della campana)
allʼaumentare della sensibilità impostata.
Da qui ad ottenere dei valori numerici
necessari per confrontare tra loro diverse fotocamere il passo è però piuttosto
lungo.
Le difficoltà
La prima difficoltà consiste nella standardizzazione delle metodologie di
ripresa, con lʼutilizzo di una sorgente luminosa estremamente controllata
nellʼintensità e nella temperatura colore.
Le norme ISO ci danno importanti suggerimenti per questo,
ma appaiono carenti se lʼobiettivo non è quello di controllare
la ripetitività nel funzionamento di un esemplare (operazione importantissima per il controllo di qualità durante la produzione) ma quello di confrontare tra loro fotocamere molto
diverse.
Nikon D3s
Data: ottobre 2009
Dimensioni sensore: 23,9x36 mm
Risoluzione: 12,1 Mpixel
Immagine Raw: 2868x4320 pixel
Dimensione pixel: 8,3 micron
Conversione A/D: 14 bit
Le interferenze “software”
RUMORE E SENSIBILITA’ - D3s
100
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
misure effettuate sul grigio medio
94,3
80
70
60
66,9
50
50,1
40
30
35,7
20
24,7
ISO
2,7
102400
8,3
4,2
51200
12,2
I file Raw
6,2
25600
3200
1600
800
400
200
100
0
12800
17,4
10
6400
Segnale / rumore
90
RUMORE ED ESPOSIZIONE - D3s
Quanto più alta è la curva tanto più basso è il rumore
ISO
100
200
400
800
1600
3200
6400
12800
25600
51200
102400
Segnale / rumore
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Sottoesposizione in diaframmi
0
LATITUDINE DI POSA IN LUCI E OMBRE - D3s
con segnale / rumore maggiore di 8
8
2
OMBRE
3
51200
25600
12800
6400
102400
ISO
3200
1600
800
400
200
1
0
Una luce controllata
Per mettere alla pari tutti i dispositivi da misurare abbiamo
deciso di fornire delle quantità di luce fisse, e per la precisione le quantità di luce necessarie a produrre il grigio 18% alle
sensibilità nominali.
Per controllare con precisione la quantità di luce che giunge
sul sensore, elemento questo fondamentale per la misura del
rumore, lʼesposizione avviene senza obiettivo, tramite una
sorgente estremamente controllata in intensità e temperatura
colore, a 5200 K, con uno spettro il più possibile continuo.
Per valutare il rumore parliamo di “rapporto segnale / rumore”:
tanto più è elevato questo rapporto, tanto minore sarà il rumore
nelle nostre immagini.
Ma è possibile misurare il comportamento di una singola
fotocamera e disporre di valori confrontabili con quelli di
altre fotocamere?
Eʼ proprio quanto siamo riusciti ad ottenere con i nuovi test ed
i risultati sono riassunti in tre grafici.
5
4
Lʼunico mezzo per andare a guardare direttamente le prestazioni di una fotocamera, al netto di ogni elaborazione, è
lʼutilizzo dei file Raw, che registrano solo i dati prodotti dal
sensore.
Non è però possibile fare questo utilizzando i programmi forniti dal produttore della fotocamera, a meno di non limitare il
confronto a modelli di una sola marca.
Proprio per questo motivo utilizziamo un software speciale
che ci consente di ottenere unʼimmagine non demosaicizzata,
in cui possiamo leggere la risposta di ogni singolo elemento
sensibile prima dellʼinterpolazione.
A questa immagine possiamo quindi applicare unʼelaborazione
identica per tutte le fotocamere.
La prova del rumore e i grafici
LUCI
6
100
Latitudine di posa in EV
9
7
Le difficoltà derivano principalmente dalle innumerevoli
possibilità di manipolazione dei segnali prodotti dal sensore
attraverso strumenti software, sia da parte della fotocamera
stessa nella conversione Jpeg, che da parte dei software di
conversione, qualora utilizziamo delle immagini Raw.
Se per esempio vogliamo confrontare due fotocamere e
solo una di esse utilizza un filtro di riduzione del rumore, avremo dei risultati assolutamente inutilizzabili per un
confronto. Tra gli elementi che vanno tenuti in considerazione
possiamo citare la sensibilità ISO (quasi mai esattamente corrispondente ai valori dichiarati), il contrasto, lo sharpening, il
bilanciamento del bianco ed il metodo di interpolazione per
la demosaicizzazione.
Rumore e sensibilità
Eʼ noto che aumentando la sensibilità aumenta anche il rumore:
23
Nikon D90
Data: agosto 2008
Dimensioni sensore: 15,8x23,6 mm
Risoluzione: 12,3 Mpixel
Immagine: 2868x4310 pixel
Dimensione pixel: 5,5 micron
Conversione A/D: 12 bit
RUMORE E SENSIBILITA’ - D90
100
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
misure effettuate sul grigio medio
90
Segnale / rumore
80
70
60
50
Questo grafico, di grande utilità, ci mostra la gamma dinamica
disponibile ad ogni sensibilità, o in linguaggio più fotografico,
la latitudine di posa.
4,9
Va precisato che mentre lʼestensione della gamma dinamica sulle
alte luci è definita con precisione dal raggiungimento della satu6400
razione (ovvero quando il sensore raggiunge il suo segnale massimo), nelle ombre dobbiamo stabilire arbitrariamente un valore
a seconda del livello di rumore che riteniamo accettabile.
Noi abbiamo scelto un livello di segnale/rumore uguale a 8 (corrispondente a 9 db se il rumore è espresso in decibel), al quale le
immagini risultano ancora di buona qualità.
ISO Se si ritiene tollerabile un livello di rumore superiore ovviamente
100 la gamma dinamica si ampia.
26,7
20
18,8
10
13,0
7,8
0
100
200
400
800
ISO
1600
3200
RUMORE ED ESPOSIZIONE - D90
Quanto più alta è la curva tanto più basso è il rumore
Segnale / rumore
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
200
400
800
1600
3200
6400
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Sottoesposizione in diaframmi
0
LATITUDINE DI POSA IN LUCI E OMBRE - D90
con segnale / rumore maggiore di 8
LUCI
8
5
4
2
OMBRE
Latitudine di posa in EV
9
3
100
Rumore, risoluzione e dimensioni del pixel
La precisione di queste nuove misurazioni ci ha consentito di
verificare sperimentalmente alcuni principi molto importanti.
Eʼ opinione diffusa che, a parità di dimensioni, sensori dotati
di alta risoluzione siano più rumorosi di quelli con un minor
numero di pixel.
Eʼ vero che il pixel piccolo riceve meno luce e quindi risulta
effettivamente più rumoroso ma se andiamo a sommare il segnale prodotto da un gruppo di 4 pixel, e facciamo lo stesso per il
loro rumore, ci accorgeremo che otteniamo un rapporto segnale/
rumore esattamente identico a quello di un grande pixel di area
corrispondente a quella dei 4 pixel più piccoli.
Eʼ esattamente quello che abbiamo fatto per confrontare macchine
di risoluzione differente.
Per sommare i pixel abbiamo eseguito un ricampionamento dellʼimmagine ad una risoluzione più bassa e nel caso delle Nikon in
prova le abbiamo “portate” tutte a 6 Megapixel (3039x2014).
I dati dei grafici mostrano che se mettiamo i due sensori in grado di
produrre la stessa immagine alla stessa risoluzione le diverse dimensioni dei pixel non comportano la minima differenza nel rumore.
Grande è bello
1
0
24
Eʼ altrettanto noto che quando si fotografa in luce scarsa il
rumore tende ad aumentare; nellʼimmagine predominano infatti
le zone scure e lì è facile rilevare la classica granulosità.
Anche in questo caso abbiamo misurato come varia il rumore
a mano a mano che la sotto-esposizione aumenta.
Le singole curve corrispondono alle differenti sensibilità ed è
evidente come impostando il massimo valore ISO si riesca a
contenere la sotto-esposizione.
Ma qui entra in gioco il rumore prodotto dallʼamplificazione
del segnale per cui la curva relativa è giustamente sotto alle
altre curve.
Anche in questo caso il rumore è tanto più basso quanto più
alti sono i valori delle curve.
La latitudine di posa
36,8
30
6
Rumore ed esposizione
55,3
40
7
il grafico ci dice di quanto.
Le colonne dellʼistogramma corrispondono al rapporto segnale
/ rumore per cui quanto più alta è la colonna tanto migliore è
la qualità dʼimmagine (ovvero rumore contenuto).
200
400
800
ISO
1600
3200
6400
Questo non vuol dire che i pixel grandi non siano desiderabili,
anzi sono il modo più sicuro per avere un basso rumore, perché in
questo modo si catturano più fotoni; bisogna però ragionare non
a livello di singolo pixel, ma di area di tutto il sensore.
Nikon D300s
Data: giugno 2009
Dimensioni sensore: 15,8x23,6 mm
Risoluzione; 12,3 Mpixel
Immagine: 2868x4320 pixel
Dimensione pixel: 5,5 micron
Conversione A/D: 14 bit
RUMORE E SENSIBILITA’ - D300s
100
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
misure effettuate sul grigio medio
Segnale / rumore
90
Il rumore di lettura (Read Noise)
80
70
60
50
49,2
40
30
35,0
20
24,5
17,4
10
11,9
0
100
200
400
800
ISO
1600
4,7
7,4
3200
6400
RUMORE ED ESPOSIZIONE - D300s
Quanto più alta è la curva tanto più basso è il rumore
ISO
Segnale / rumore
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
100
200
400
800
1600
3200
6400
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Sottoesposizione in diaframmi
0
LATITUDINE DI POSA IN LUCI E OMBRE - D300s
con segnale / rumore maggiore di 8
I fotoni stimolano negli elementi sensibili del sensore lʼemissione di elettroni,
uno per ogni fotone. Gli elettroni accumulati vengono poi convertiti in una
tensione elettrica, amplificata in base allʼimpostazione ISO della fotocamera, e quindi convertita in un valore digitale attraverso un convertitore A/D
analogico / digitale. Ognuno di questi 3 passaggi è soggetto a fluttuazioni nel
segnale elettrico, ovvero a rumore. Esso dipende dalla qualità dei componenti
della fotocamera e dalla velocità con cui il processo viene eseguito.
Non si tratta di un rumore ugualmente distribuito nelle frequenze spaziali
(o come si dice in gergo elettronico, non è un rumore bianco) ma in genere
sono presenti bande (Binding Noise) o sequenze ripetitive (Pattern Noise)
che risultano particolarmente riconoscibili dallʼocchio, e quindi più fastidiose
di un rumore con distribuzione casuale (gaussiana).
Il Pattern Noise è più frequente sui modelli meno recenti.
Il Patter Noise può avere una componente che si ripete su tutte le immagini,
il Fixed Pattern Noise, che può essere eliminato eseguendo la media di un
certo numero di scatti identici.
Il Read Noise è pressoché costante al variare dellʼesposizione e diventa
rilevante solo a livelli di illuminazione molto bassi.
Il rumore termico
Non sono solo i fotoni a liberare elettroni allʼinterno degli elementi sensibili,
ma anche il movimento delle molecole legato alla temperatura. Il numero
di elettroni liberato aumenta con la temperatura ed è pressoché costante nel
tempo. Questo significa che il suo contributo è irrilevante nelle pose brevi,
mentre diventa più evidente in pose superiori a 1/4 s o 1 s.
I componenti che generano calore allʼinterno della fotocamera, ad esempio
gli amplificatori del segnale, possono influire sul rumore termico del sensore, talvolta in modo poco piacevole, con una distribuzione irregolare sulla
superficie del fotogramma.
Al di fuori di applicazioni astronomiche tuttavia il rumore termico può
essere trascurato.
La risposta non uniforme dei pixel
5
(PRNU, Pixel Response Non-Uniformity)
Non tutti i pixel hanno la stessa efficienza nel catturare e contare i fotoni,
cosicché abbiamo delle variazioni di segnale da un pixel allʼaltro, tanto
maggiori quanto maggiore è il flusso di fotoni.
Questo rumore varia perciò linearmente con lʼintensità della luce, e diventa
rilevante nelle alte luci, dove lo Shot Noise aumenta più lentamente (cresce
infatti secondo la radice quadrata del numero dei fotoni).
4
Il rumore di quantizzazione
9
7
6
3
2
LUCI
8
OMBRE
Latitudine di posa in EV
Il rumore Shot dipende dalla natura stessa della luce, ovvero dalle fluttuazioni
che si hanno nel flusso di fotoni. Queste fluttuazioni seguono una distribuzione gaussiana (curva a campana) con una dispersione uguale alla radice
quadrata del numero dei fotoni.
Se ad esempio i fotoni che giungono al sensore producono allʼuscita di un
convertitore analogico/digitale a 14 bit un segnale medio di 10000 ADU
(Unità Analogico Digitali), non tutti i pixel avranno questo valore, ma la
maggior parte di essi avrà valori compresi tra 9900 e 10100, con un rumore
quindi di 100.
Allʼaumentare dellʼintensità della luce cresceranno sia il numero di fotoni
che il rumore, ma questʼultimo crescerà molto più lentamente, quindi il
rapporto segnale/rumore aumenterà, ovvero lʼimmagine ci apparirà via via
più “pulita”.
Eʼ importante sottolineare che il rumore Shot è sicuramente la fonte di rumore
principale, nel normale utilizzo della fotocamera.
PER CAPIRE MEGLIO
Il rumore Shot (Photon Shot Noise)
1
0
100
200
400
800
ISO
1600
3200
6400
Anche la conversione A/D introduce del rumore, in quanto il segnale analogico viene arrotondato al valore numerico più vicino; maggiore è il numero di gradini a disposizione nella conversione, tanto è minore il rumore di
quantizzazione.
Se abbiamo un convertitore a 12 bit, come è ormai prassi anche sulle fotocamere più economiche, il rumore di quantizzazione risulta nettamente inferiore
alle altre forme di rumore presenti.
25
Nikon D5000
Nikon D50
Data: aprile 2009
Dimensioni sensore: 15,8x23,6 mm
Risoluzione; 12,3 Mpixel
Immagine: 2868x4310 pixel
Dimensione pixel: 5,5 micron
Conversione A/D: 12 bit
Data: aprile 2005
Dimensioni sensore: 15,6x23,7 mm
Risoluzione; 6,1 Mpixel
Immagine: 2014x3039 pixel
Dimensione pixel: 7,7 micron
Conversione A/D: 12 bit
RUMORE E SENSIBILITA’ - D50
RUMORE E SENSIBILITA’ - D5000
misure effettuate sul grigio medio
90
80
70
60
64,6
50
40
39,5
30
10
8,8
3200
0
400
800
ISO
1600
50
40
RUMORE ED ESPOSIZIONE - D50
Quanto più alta è la curva tanto più basso è il rumore
100
200
400
800
1600
3200
6400
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Sottoesposizione in diaframmi
0
Latitudine di posa in EV
LUCI
1
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Sottoesposizione in diaframmi
0
con segnale / rumore maggiore di 8
8
4
200
400
800
1600
LATITUDINE DI POSA IN LUCI E OMBRE - D50
8
5
ISO
7
6
5
LUCI
ISO
OMBRE
Latitudine di posa in EV
1600
RUMORE ED ESPOSIZIONE - D5000
4
3
2
1
0
0
100
26
800
400
ISO
9
2
13,0
200
9
3
20,1
6400
con segnale / rumore maggiore di 8
6
29,4
0
LATITUDINE DI POSA IN LUCI E OMBRE - D5000
7
41,9
30
OMBRE
0
60
Quanto più alta è la curva tanto più basso è il rumore
Segnale / rumore
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
70
5,5
14,8
200
80
10
21,3
100
misure effettuate sul grigio medio
20
29,5
20
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
90
Segnale / rumore
Segnale / rumore
100
Segnale / rumore
100
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
200
400
800
ISO
1600
3200
6400
200
800
400
ISO
1600
ISO
200
400
800
1600
Quindi per avere un basso livello di rumore conviene avere sensori grandi, ovvero
Full Frame.
100
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
I risultati a confronto
Come abbiamo spiegato, per confrontare in modo corretto fotocamere dotate di
risoluzione diversa (la D50 è da 6 Mpixel,
mentre tutte le altre sono da 12 Mpixel)
dobbiamo fare un ricampionamento dellʼimmagine, in altre parole applicare un
filtro che produca una risoluzione inferiore.
Si nota in questo modo che il rapporto
segnale/rumore delle fotocamere da 12
Mpixel appare più elevato.
Per confrontare le prestazioni delle cinque
Nikon abbiamo scelto le sensibilità di 200
e 1600 ISO, disponibili su tutte le fotocamere: la prima è generalmente la sensibilità base del sensore, mentre la seconda è
sì spinta, ma grazie allʼevoluzione tecnologica degli ultimi anni è una sensibilità
ancora ampiamente utilizzabile.
In entrambi i casi appare evidente come le
maggiori dimensioni del sensore della D3s
risultino determinanti ai fini di un basso
livello di rumore. Più luce viene catturata
dal sensore, più basso è il rumore, quindi
la D3s si stacca nettamente da tutte le altre
reflex.
Un discorso particolare merita la D50 che,
pur disponendo di elementi sensibili molto
grandi, non riesce a competere con le fotocamere più moderne.
Il motivo principale è sicuramente nella
scarsa efficienza con cui i fotoni che arrivano al sensore vengono convogliati sugli
Il prossimo mese 5 refle3x Canon.
misure effettuate sul grigio medio
con ricampionamento a 3039x2014
95,2
80
70
60
50
56,3
49,8
40
52,4
41,9
30
20
10
0
Nikon
D3s
Nikon
D300s
Nikon
D5000
Nikon
D90
Nikon
D50
RUMORE A 1600 ISO
100
Quanto più alta è la colonna tanto più basso è il rumore
misure effettuate sul grigio medio
con ricampionamento a 3039x2014
90
Segnale / rumore
Questo mese presentiamo i risultati delle
nuove misurazioni eseguite su cinque fotocamere Nikon.
Non potevamo ovviamente non prendere in considerazione il gioiello della casa
giapponese, la D3s, uscita nellʼottobre
2009 e caratterizzata da un sensore Full
Frame con una sensibilità massima elevatissima: 102.400 ISO.
Altrettanto obbligata la scelta per la D300s,
uscita nel giugno 2009, dotata della stessa
risoluzione della D3s, ma con un sensore
più piccolo, in formato DX.
A queste professionali abbiamo accostato lʼinteressante reflex amatoriale D5000
(dellʼaprile 2009), dotata di un sensore
simile per dimensioni e risoluzione a quello della D300s, ed infine due modelli più
datati, la D90 dellʼagosto 2008 e la D50
addirittura dellʼaprile 2005.
Segnale / rumore
90
Il rumore in casa Nikon
IL CONFRONTO
RUMORE A 200 ISO
80
70
60
50
40
30
35,1
20
10
17
21,1
18,5
13,0
0
Nikon
D3s
Nikon
D300s
Nikon
D5000
Nikon
D90
Nikon
D50
Per confrontare queste fotocamere che hanno una risoluzione diversa (la D50 è da 6
Mpixel, mentre le altre sono tutte da 12 Mpixel) abbiamo fatto un ricampionamento delle immagini portandole tutte a 6 Mpixel. Si può notare come in questo modo il rapporto
segnale/rumore delle fotocamere da 12 Mpixel sia più elevato rispetto ai grafici pubblicati nelle schede precedenti; il motivo è che riducendo la risoluzione il pixel diventa
più grande. Come sensibilità abbiamo scelto 200 e 1600 ISO: la prima è generalmente
la sensibilità base del sensore, mentre la seconda è sì spinta, ma è una sensibilità oggi
ancora ampiamente utilizzabile. Osservando i risultati si può notare come la D3s si stacchi nettamente da tutte le altre reflex, grazie alle maggiori dimensioni del suo sensore.
Le differenze tra le altre reflex dotate di sensore Aps dipende dallʼefficienza con cui le
fotocamere gestiscono i fotoni che arrivano al sensore.
elementi sensibili, a causa dellʼassenza di
microlenti gapless.
In conclusione
Le nostre nuove tecniche di misurazione
ci permettono di quantificare i noti concetti relativi al rumore, ad esempio che
per avere bassi livelli di rumore conviene
utilizzare sensori di grandi dimensioni,
possibilmente Full Frame.
Infatti più fotoni vengono catturati, più
elevato è il rapporto segnale/rumore.
Per lo stesso motivo sensori dotati di
microlenti gapless, che riescono per
questo a convogliare più fotoni sugli
elementi sensibili, riescono ad avere un
più elevato rapporto segnale/rumore.
Inoltre, a parità di rumore di lettura, di
dimensione del sensore e di efficienza
nella trasformazione dei fotoni, due sensori dotati di risoluzione diversa hanno
un comportamento identico per quanto
riguarda il rumore a patto che le immagini vengano ricampionate alla stessa
27